Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.

Diffusion of Smart Meters in Central East Europe

The present study deals with innovation diffusion as the central component of innovation process and takes smart meters as a concrete example from the electric power industry. Smart meters are seen as key enablers of the industry-wide shift towards smart grids and are recognized by the European Union as means of reaching its environmental and energy goals. However, the spread of smart meters through the market, especially in Central East Europe (CEE), is not corresponding to the expectations and identified benefits. The current work synthesizes available data for the under-researched geographical region of CEE and clarifies the process of smart meter diffusion and drivers behind it. In addition to innovation theories the methods applied are rate of adoption and thematic analysis. The results prove the large gap between optimal and actual diffusion as well as the lagging position of CEE in comparison to the EU’s market leaders. The smart metering market is driven from bottom-up and the majority of CEE countries have already carried out or started the initial activities. Therefore, in coming years more intensive smart meters deployment will be seen.

Älykkäät sähköverkot

Tässä diplomityössä esitellään älykkäiden sähköverkkojen ominaisuuksia. Tavoitteena on selvittää, millaisia hyötyjä sähköverkkojen uudistamisella voidaan saavuttaa. Lisäksi työssä selvitetään syitä, jotka ovat ajaneet sähköverkkojen uudistamiseen. Älykäs sähkönmittaus on tärkeä osa älykkäitä sähköverkkoja, ja työssä on esitelty älykkäiden sähkömittareiden tilannetta eri maissa. Diplomityö selvittää myös hajautetun pientuotannon roolia sähköntuotannossa. Työn loppupuolella on esitelty muutama smart grid -projekti Euroopasta. Projektit valittiin Euroopasta, koska smart grids on oleellinen tekijä Euroopan komission 20/20/20 -tavoitteessa. Molemmat projektit kulminoituvat täysin älykkään sähkönmittauksen liittämiseen osaksi kuluttajien sähkönmittausta. Esimerkkien avulla nähdään, millaisella aikataululla älykkäitä sähköverkkoja saadaan aikaan ja kuinka suuria verkostokokonaisuuksia tulevaisuuden sähköverkot ovat.

Tuulivoiman verkkomääräykset Euroopassa ja Yhdysvalloissa sekä niiden kehittyminen tulevaisuudessa älykkäiden sähköverkkojen kannalta

Tuulivoimatekniikan nopea kehitys on lisännyt tuulivoimakapasiteetin määrää sähköverkoissa. Eri maiden siirtoverkko-operaattorit ovatkin julkaisseet tuulivoimaloille omat verkkomääräyksensä. Työssä tutkitaan tuulivoimaloiden tekniikkaa, eri maiden verkko-operaattoreiden asettamia verkkomääräyksiä tuulivoimalle sekä arvioidaan näiden kehitystä tulevaisuudessa. Tutkittaviksi alueiksi on valittu maita, joiden siirtoverkot ovat rakenteeltaan erilaisia ja joissa tuulivoimaloille asetetut vaatimukset sekä asennetun tuulivoimakapasiteetin määrät vaihtelevat. Verkkomääräyksiä käsitellessä on keskitytty vain tärkeimpiin teknisiin vaatimuksiin. Eri verkkomääräykset eroavat toisistaan rakenteeltaan sekä vaatimuksiltaan ja ne ovat tiukentuneet tuulivoiman osuuden kasvaessa kokonaisenergiantuotannosta. Tämä on vaikeuttanut sähköverkoissa toimivien osapuolien operointia. Verkkomääräyksien harmonisoinnille ja kehittämiselle onkin tarvetta verkon kaikkien osapuolien toimintaedellytyksien parantamiseksi. Tuulivoimaloiden sisältämän tehoelektroniikan ja älykkäiden sähköverkkojen kehityksen myötä voidaan tuulivoimalla saavuttaa myös monia etuja esimerkiksi muihin tuotantotapoihin verrattuna.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Sähköverkkojen käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmien käyttöönotto

Käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmät, eli käytönhallintajärjestelmät ovat osana sähköverkkoyhtiöiden arkea ja ilman niiden tuomaa apua sähkön jakelun valvonta ja hallinta olisi hyvin haastava tehtävä. Lisäksi käytönhallintajärjestelmät moitteeton toi-miminen tarjoaa hyvän alustan kehittää tulevaisuuden tärkeitä hankkeita kuten Smart Grid konseptia. Tässä työssä tarkastellaan käytönhallintajärjestelmien käyttöönottoa, kuinka se voidaan toteuttaa ja mitä asioita pitää ottaa huomioon käyttöönoton eri vaiheissa. Käytönhallintajärjestelmien käyttöönotto suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkömarkkinalaboratoriossa sijaitsevalla verkkosimulaattorille, johon asennettiin MicroSCADA SYS 600 9.1 käytönvalvontajärjestelmä sekä DMS 600 4.2 käytöntukijärjestelmä.

Integration of microgrids into electricity distribution networks

Existing electricity distribution system is under pressure because implementation of distributed generation changes the grid configuration and also because some customers demand for better distribution reliability. In a short term, traditional network planning does not offer techno-economical solutions for the challenges and therefore the idea of microgrids is introduced. Islanding capability of microgrids is expected to enable better reliability by reducing effects of faults. The aim of the thesis is to discuss challenges in integration of microgrids into distribution networks. Study discusses development of microgrid related smart grid features and gives estimation of the guideline of microgrid implementation. Thesis also scans microgrid pilots around the world and introduces the most relevant projects. Analysis reveals that the main focus of researched studies is on low voltage microgrids. This thesis extends the idea to medium voltage distribution system and introduces challenges related to medium voltage microgrid implementation. Differences of centralized and distributed microgrid models are analyzed and the centralized model is discovered to be easiest to implement into existing distribution system. Preplan of medium voltage microgrid pilot is also carried out in this thesis.

Sähköntuotannon pienjänniteverkkoon liittäminen - määräykset ja sähköturvallisuus

Älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grid) avulla pyritään vastaamaan sähkönkäytön tehostamisvaatimuksiin. Pientuotanto on yksi tärkeimmistä älykkäiden sähköverkkojen osatekijöistä. Suomessa yksityishenkilöiden innostus omaan sähköntuotantoon ei ole vielä virinnyt, monista eri tekijöistä johtuen. Tulevaisuuden sähköverkoissa pientuotannon rooli on kuitenkin merkittävä. Diplomityössä tarkastellaan pientuotannon yleistymisen edellytyksiä ja tuotannon pienjänniteverkkoon liittämistä. Pientuotannon potentiaalia tarkastellaan eri tuotantomuotojen ja niiden kannattavuuden näkökulmasta. Työn tärkein osuus keskittyy verkkoonliittämismääräyksiin ja sähköturvallisuuteen. Pienjänniteverkkoon liitetty tuotantolaitos on uusi syöttöpiste verkossa ja aiheuttaa esimerkiksi suojaushaasteita. Lisäksi aihepiiri on vielä uusi ja toimintamenetelmät ovat osin vaillinaisia. Työssä esitetään tärkeimmät haasteet, pohditaan niiden merkittävyyttä ja käydään läpi ratkaisuvaihtoehtoja. Selviä teknisiä esteitä pientuotannon yleistymiselle ei Suomessa ole.

Development of a measuring-control system for energy monitoring in low power

In this thesis a control system for an intelligent low voltage energy grid is presented, focusing on the control system created by using a multi-agent approach which makes it versatile and easy to expand according to the future needs. The control system is capable of forecasting the future energy consumption and decisions making on its own without human interaction when countering problems. The control system is a part of the St. Petersburg State Polytechnic University’s smart grid project that aims to create a smart grid for the university’s own use. The concept of the smart grid is interesting also for the consumers as it brings new possibilities to control own energy consumption and to save money. Smart grids makes it possible to monitor the energy consumption in real-time and to change own habits to save money. The intelligent grid also brings possibilities to integrate the renewable energy sources to the global or the local energy production much better than the current systems. Consumers can also sell their extra power to the global grid if they want.

Testing Platform Development for Large Scale Solar Integration

Currently, a high penetration level of Distributed Generations (DGs) has been observed in the Danish distribution systems, and even more DGs are foreseen to be present in the upcoming years. How to utilize them for maintaining the security of the power supply under the emergency situations, has been of great interest for study. This master project is intended to develop a control architecture for studying purposes of distribution systems with large scale integration of solar power. As part of the EcoGrid EU Smart Grid project, it focuses on the system modelling and simulation of a Danish representative LV network located in Bornholm island. Regarding the control architecture, two types of reactive control techniques are implemented and compare. In addition, a network voltage control based on a tap changer transformer is tested. The optimized results after applying a genetic algorithm to five typical Danish domestic loads are lower power losses and voltage deviation using Q(U) control, specially with large consumptions. Finally, a communication and information exchange system is developed with the objective of regulating the reactive power and thereby, the network voltage remotely and real-time. Validation test of the simulated parameters are performed as well.

Communication Solutions for LVDC Island Networks

Production and generation of electrical power is evolving to more environmental friendly technologies and schemes. Pushed by the increasing cost of fossil fuels, the operational costs of producing electrical power with fossil fuels and the effect in the environment, like pollution and global warming, renewable energy sources gain con-stant impulse into the global energy economy. In consequence, the introduction of distributed energy sources has brought a new complexity to the electrical networks. In the new concept of smart grids and decen-tralized power generation; control, protection and measurement are also distributed and requiring, among other things, a new scheme of communication to operate with each other in balance and improve performance. In this research, an analysis of different communication technologies (power line communication, Ethernet over unshielded twisted pair (UTP), optic fiber, Wi-Fi, Wi-MAX, and Long Term Evolution) and their respective characteristics will be carried out. With the objective of pointing out strengths and weaknesses from different points of view (technical, economical, deployment, etc.) to establish a richer context on which a decision for communication approach can be done depending on the specific application scenario of a new smart grid deployment. As a result, a description of possible optimal deployment solutions for communication will be shown considering different options for technologies, and a mention of different important considerations to be taken into account will be made for some of the possible network implementation scenarios.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

Lämmöntuotanto älykkäässä energiaverkossa

Energiaverkon edistäminen tulee olemaan tulevaisuudessa suuressa roolissa niin Suomessa kuin maailmalla. Tällöin yhtenä vaihtoehtona on älykkyyden tuominen koko energiajärjestelmään niin sähkön kuin lämmönkin osalta. Tällöin voidaan vähentää kulutushuippujen aikaista energian käyttöä ja saada koko verkoston energiankulutus profiili tasaiseksi. Tässä työssä tarkastellaan spot-sähkön hyödyntämismahdollisuuksia lämmöntuotannossa. Työssä kehitetyn mallinnustyökalun avulla tutkittiin erilaisia ajotapoja ja erilaisten järjestelmien kokonaiskustannuksia. Työssä esitellään esimerkkilaskennan avulla spot-sähkön käytöstä syntyviä kustannuksia ja keinoja vaikuttaa niihin eri järjestelmä muutoksin. Malli mahdollistaa erilaisten järjestelmien ja niiden ajotapojen tutkimista. Mallilla voidaan myös tutkia erilaisten alueiden kulutuskäyttäytymistä ja hyödyntää sitä kustannuslaskelmiin. Voidaan todeta, että työssä muodostunut malli on toimiva ja sitä voidaan hyödyntää alueellisten lämmöntuotantojärjestelmien ajotapojen optimointiin.

Yliopiston sähköverkon mallintaminen

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii älykkäiden sähköverkkojen kehittämistä. Yliopisto on hankkinut sähköverkkoonsa tuuliturbiinin ja aurinkopaneeleita, joilla pystytään tuottamaan sähköenergiaa sähköverkkoon. Näitä tuotantoja voidaan käyttää myös tutkimuksessa. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli yliopiston sähköverkosta Matlab® Simulink® -ohjelmalla. Simulaatiomalliin mallinnetaan yliopiston sisäinen keskijänniteverkko ja osa pienjänniteverkosta. Simulaatiomalli toteutetaan ohjelman valmiilla komponenteilla, joihin lasketaan tarvittavat parametrit. Tuuliturbiinin ja aurinkopaneelien sähköntuotantotehot määritetään säätiladatojen avulla. Verkon komponenteille lasketaan arvot komponenttien tyyppitietojen perusteella ja asetetaan simulaatiomallin parametreiksi. Simulaatiomalli luodaan yliopiston sisäisen verkon tehonjaon tarkastelemiseksi. Työssä selvitetään myös mahdollisuuksia luodun simulaatiomallin käyttämiseen vikatilanteiden tarkastelussa.

Distributed energy resources in an electricity retailer’s short-term profit optimization

Liberalization of electricity markets has resulted in a competed Nordic electricity market, in which electricity retailers play a key role as electricity suppliers, market intermediaries, and service providers. Although these roles may remain unchanged in the near future, the retailers’ operation may change fundamentally as a result of the emerging smart grid environment. Especially the increasing amount of distributed energy resources (DER), and improving opportunities for their control, are reshaping the operating environment of the retailers. This requires that the retailers’ operation models are developed to match the operating environment, in which the active use of DER plays a major role. Electricity retailers have a clientele, and they operate actively in the electricity markets, which makes them a natural market party to offer new services for end-users aiming at an efficient and market-based use of DER. From the retailer’s point of view, the active use of DER can provide means to adapt the operation to meet the challenges posed by the smart grid environment, and to pursue the ultimate objective of the retailer, which is to maximize the profit of operation. This doctoral dissertation introduces a methodology for the comprehensive use of DER in an electricity retailer’s short-term profit optimization that covers operation in a variety of marketplaces including day-ahead, intra-day, and reserve markets. The analysis results provide data of the key profit-making opportunities and the risks associated with different types of DER use. Therefore, the methodology may serve as an efficient tool for an experienced operator in the planning of the optimal market-based DER use. The key contributions of this doctoral dissertation lie in the analysis and development of the model that allows the retailer to benefit from profit-making opportunities brought by the use of DER in different marketplaces, but also to manage the major risks involved in the active use of DER. In addition, the dissertation introduces an analysis of the economic potential of DER control actions in different marketplaces including the day-ahead Elspot market, balancing power market, and the hourly market of Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D).